一、切削加工制造领域面临的挑战

二、高速切削加工技术的发展和应用

1. 高速切削加工理论基础和特点
   1. 高速切削加工速度范围
      一般主轴转速在6000r/min以上可称为高速切削。
   2. 高速切削加工的科学基础
      高速(含超高速)切削技术是高速切削加工过程能量的应用中，高硬的刀具(切削部分)对工件的作用导致其表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦学行为形成热、力耦合不均匀强应力场制造工艺。主要集中探讨最大可能的材料切除率和刀具可能最佳寿命、可能的最高加工表面质量以及系统的可能最好稳定条件下可以使最大应用能量达到最大切削效率的目的。因此高速切削变形理论和高速切削摩擦学是高速切削加工的两个基本科学问题。
   3. 高速切削加工突出特点
      • 一是随切削速度增加，切削力降低。
      • 二是随切削速度提高，切屑带走的热量愈多，传给刀具和工件的热量愈少，因此切削温度开始虽然升高很快，但达到一定速度后，逐渐缓慢，甚至升高很少。
      • 是随切削速度增加，加工表面粗糙度有所减少。
   
   

   图 高速切削加工科学内涵

2. 高速切削铝合金(7050)的二维热力耦合不均匀场
   刀具的失效不是最大等效应力造成的，而是在热力耦合不均匀强应力场作用下引起裂纹扩展造成的后期疲劳破损。

   图 超细晶粒硬质合金刀具铣削45#调质钢(HRC35～40)前、后刀面磨损V=300m/min	图 SG4陶瓷刀具铣削淬硬45#钢 (HRC45～50)前、后刀面磨损，V=400m/min
   图 JX－1陶瓷刀具加工GH169边界磨损 V=62.5m/min	图 JX-1陶瓷刀具加工GH169前后刀面磨损V=230m/min
   a) 干切削时刀具前刀面的粘结	b) 使用切削液时前刀面的粘结
   图 可转位刀片高速铣削7050铝合金时的粘结磨损(V=1200m/min)

3. 刀具的磨损
   1. 前后刀面磨损形貌
   2. 磨损机理
      主要是磨粒、粘结的热——力学磨损和扩散、溶解、氧化等的热——化学磨损。
4. 高速切削刀具材料
   高速切削系统包括刀具、工件和机床，其中刀具材料起决定性作用。高速切削时，刀具损坏机理是刀具材料合理应用的理论基础，而刀具与工件材料的力学、物理和化学性能则是合理应用的依据。

   1. 主要刀具材料
      • 金刚石：以PCD为主
      • 方氮化硼(PCBN)
        陶瓷刀具：Al₂O₃基和Si₃N₄基两大类
      • TiC (N) 基硬质合金(金属陶瓷)
      • 涂层刀具：优异的高速钢，WC基、TiC (N) 基硬质合金和陶瓷为基体。复合涂层。TiN，TiB2，TiAlN(≤800℃)，AlTiN(≤900℃)，TiAlCN，CrN，CBC(DLC金刚石涂层)，最新的AlCrN(3200HV，1100℃，更适于铣、滚加工)，TiSiN(适于硬切削)，CrSiN(有润滑性，适于铝、不锈钢等粘结性材料加工)，TiAlN纳米涂层(3300HV，900℃)。软涂层MoS2，WS2，高速钢基体。
      • 超细晶粒硬质合金：晶粒0.2～0.5m加工铝合金；0.6～0.8µm加工钢铁及合金。添加TaC、NbC等。
      • 粉末冶金高速钢(PM HSS)和高性能高速钢(HSS-E)
   2. 刀具材料性能
      1. 刀具材料力学性能
         硬度大小：金刚石PCD＞立方氮化硼PCBN＞Al₂O₃基＞Si₃N₄基＞TiC(N)基硬质合金＞WC基超细晶粒硬质合金＞高速钢HSS。
         抗弯强度大小：HSS＞WC基＞TiC(N)基＞Si₃N₄基＞Al₂O₃基＞PCD＞PCBN。
         断裂韧性大小：HSS＞WC基＞TiC(N)基＞PCBN＞PCD＞Si₃N₄基＞Al₂O₃基。
         耐磨性：PCD＞PCBN＞Al₂O₃基＞Si₃N₄基＞TiC(N)基＞WC基＞HSS。
      2. 刀具材料物理性能
         耐热性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃；TiC(N)基900℃-1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃。
         导热系数大小：PCD＞PCBN＞WC基＞TiC(N)基＞HSS＞Si₃N₄基＞Al₂O₃基。
         热胀系数大小：HSS＞WC基＞TiC(N)基＞Al₂O₃基＞PCBN＞Si₃N₄基＞PCD。
         抗热震性大小：HSS＞WC基＞Si₃N₄基＞PCBN＞PCD＞TiC(N)基＞Al₂O₃。
      3. 刀具材料化学性能
         黏結、化学反应、化学稳定性(扩散、氧化、溶解)等性能。
         抗黏結温度高低(与钢)：PCBN＞陶瓷＞硬质合金＞高速钢。
         抗黏結温度高低(与鎳基合金)：陶瓷＞PCBN＞硬质合金＞金刚石＞高速钢。
         抗氧化温度高低：陶瓷＞PCBN＞硬质合金＞金刚石＞高速钢。
         扩散强度大小(对钢铁)：金刚石＞SiC＞Si₃N₄基＞PCBN＞Al₂O₃基。
         Si₃N₄基加工钢不如Al₂O₃基陶瓷)。
         扩散强度大小(对钛)：Al₂O₃基＞PCBN＞SiC＞ Si₃N₄＞金刚石。
         陶瓷刀具材料在铁中的溶解度大小(在1323℃)：SiC＞TiC＞TiN＞ Al₂O₃＞ZrO2。
         刀具材料切钢(未淬硬)溶解度大小(在1027℃)：SiC＞Si₃N₄基＞金刚石＞WC基＞PCBN＞TiN＞TiC＞ Al₂O₃基＞ZrO₂。(PCBN不宜加工铁素体和45HRC以下的钢件)
   3. 刀具材料合理选用
      1. 加工铝合金：金刚石最适于高速切削。但复杂刀具，可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。
      2. 加工钢和铸铁及其合金：Al₂O₃基陶瓷刀具适于软、硬高速切削；PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削；Si₃N₄和PCBN更适于铸铁及其合金的高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。
      3. 加工超级合金：增韧补强的氧化铝基和Si₃N₄基陶瓷刀具(如SiC晶须增韧)和Sialon陶瓷刀具适于加工这类合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。超细晶粒硬质合金及其涂层刀具，特别是复杂刀具。
      4. 加工钛合金：一般可用WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液，可获得较好的结果。
   4. 高速切削刀具磨损寿命模型
      

      式中	a——工件硬度常数 K——常数 Ka——磨粒磨损系数 Kh——粘结磨损系数 Kd——扩散磨损系数 KQ——有关扩散激活能常数 n——常数 Pa——磨粒磨损磨粒硬度 Pt——刀具硬度 T——刀－工接触面平均温度 Vc——切削速度 VB——刀具后刀面磨损宽度 g0——刀具前角 a0——刀具后角 R——刀刃圆弧半径 s——刀－工接触面平均正应力

      该模型可作为刀具材料合理选用和刀具结构设计与切削用量选用的重要理论依据。
   5. 新刀具材料的研究和开发
      融合切削学和刀具材料学于一体的基于切削可靠性的刀具材料研究设计理论体系，高速切削刀具材料首先保证高的可靠性。
      该模型为新刀具材料研究开发提供了理论。

   图 高速刀具材料设计和制备理论体系

5. 高速切削刀具结构优化和创新
   以刀具可靠性、安全性、高效率、长寿命为目标，在结构参数、几何形状、可转位刀具的刀体材料和装夹结构等。例如从安全性看，可转位面铣刀，旋转离心力造成刀片夹紧；螺钉破坏和刀体变形有最主要的影响，立装铣刀优于平装铣刀。铝合金刀体优于钢件刀体。又如混合刀齿的面铣刀，大进给切削的立铣刀。
6. 高速切削加工的刀柄系统
   有单面接触的BT系统(刀柄锥度7︰24)，双面接触的HSK系统(刀柄锥度1:10)
   BT40刀柄联结的最佳转数范围为0～12000r/min，12000～15000r/min仍可使用，15000r/min以上由于精度降低无法使用。HSK－63A刀柄最佳转速范围为0～30000r/min，超过这个范围精度有所降低。还有日本大昭和公司的双面接触(BIG PLUS)7:24刀柄可用于高速、高效切削加工，并能与现有的7:24刀柄兼容。其它还有Kennametal、Sandivik、Nikken等公司的高速刀柄，各有特点。目前以HSK刀柄应用较普遍。
7. 高速切削刀具的动平衡
   高速切削旋转刀具系统在6000r/min以上必须平衡，以保证安全，要求平衡品质(mm/s)G≤2.5。
   

   G=w×e=	pN	×	U	×	pUN
   	30		M		30×M

   式中

   e——偏心(g×mm/Kg) M——刀体质量(Kg) w——角速度(r/s) m——不平衡量(g) N——转速(r/min) r——不平衡半径(mm) U——残余不平衡量(g×mm) U=m×r

   陶瓷刀具车削淬硬钢(HRC60～62)

8. 高速涂层刀具高速切削加工模具实例

三、高速硬切削技术

四、高效复合加工技术

五、结束语